指南车不论作何种的二维曲线运动，指针都保持一定的方向，这是如何实现的呢？
指南车有两个相同的车轮，若沿直线行驶，则两个车轮走过相等的路程；若沿着一个固定圆心转弯时，内外车轮行驶两个同心圆弧，而外车轮经过的圆弧较长，并且指南车转弯的角度和内外车轮所走的距离差成正比。
如果指南车转弯时并不沿一定圆弧行走，那么我们可以将每小段行驶距离看作绕某一个圆心的行程，因此，转弯的角度仍与内外车轮所走的距离差成正比。因此我们根据两轮行驶的距离差，使指南车上的方向指针往回转相同的角度，即可达到“维持一定方向”的目的。
在《宋史-舆服志》中对其机械构造记载如下：
用独辕车，车厢外笼上有重钩，立木仙人于上，引臂南指，因大小轮九，合齿一百二十。足轮二，高六尺，围一丈八尺。附足立子轮二，径二尺四寸，围七尺二寸，出齿各二十四，齿间相去三寸。辕端横木下立小轮二，其径三寸，铁轴贯之，左小平轮一，其径一尺二寸，出齿十二，右小平轮一，其径一尺二寸，出齿十二。车行时，木人指南，若折而东，推辕右旋，附右足子轮顺转十二齿，击（系）右小平轮一匝，触中心大平轮左旋四分之一，转十二齿，车东行，木人交而指南，若折而西，推辕左旋，附左足子轮顺转十二齿，击（系）左小平轮一匝，触中心大平轮右旋四分之一，转十二齿，车正西行，木人交而指南，若欲北行，或东或西，转亦如之。